调频无线话筒设计论文.docx

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调频无线话筒设计论文

摘要

对于整个录音音响系统中，第一个重要环节是话筒。

话筒的重要性是人们时常谈论的话题。

话筒的争论往往是最激烈而革命性的，从电子管到晶体管、从动圈到电容、从微型话筒到金话筒，还有值得珍藏的纪念版话筒等。

话筒又分为有线话筒和无线话筒。

调频无线话筒系统简单、成本低廉，但是采用传统制作方式做出的话筒音质不好且功能单一。

市面上无线话筒产品的种类很多,高档的价格比较昂贵,低档的性能不太稳定。

调频无线话筒的原理是将声波信号通过麦克风转化为音频电信号，通过改变结电容来改变高频振荡器的输出频率，产生调频波，通过高频放大与选频，最终由天线辐射。

整个电路使用Protel99se软件设计，并最终做成一块8cm*4cm（width*height）PCB（印刷电路板），使用普通调频收音机在100M频率左右，话筒中心20米范围内能正常接收。

该设计具有电压低，受话灵敏，制作简易等特点，可应用于教学，无线广播，报警器，助听器，及各类声控设备中。

关键词调频；三点式；振荡电路；载波；印刷电路板

Abstract

TheprincipleoffrequencyadjustmentwirelessradiomicrophoneisthatthesignalchangessoundwaveintoVFelectricsignalbythemicrophone,thewaveexportingfrequency,producingfrequencyadjustmentbychangingaHFoscillator'scomingchangingthejunctioncapacity,passeshigh-frequencyamplificationandchoosesfrequency,ultimatereasonairwireradiation.TheentirecircuitisdesignedbyusingProtel99sesoftware,makesupintoapieceof8cm*4cm（width×high）PCB（printingcircuitboardultimately）,usetheaveragefrequencyadjustmentradiotobeabletoadmitregularlyin100Mfrequencyretinue,20metersofmicrophonecentrerangeinner.Itsmakingprocessisnotdifficultandhavinganelectricitybeinglowered,foritscharacteristic,itcaneasilytoappliedintoteaching,wirelessbroadcasting,alarmequipments,deaf-aid,andofallkindssoundcontrolequipments.

Keywords:

Frequencyadjustment,trikini,oscillatingcircuit,carrierwave,printingcircuitboard.

目录

第1章绪论…………………………………………………………………2

第2章设计方案…………………………………………………………3

2.1方案选择………………………………………………………3

2.2无线话筒准用的频段………………………………………………4

2.3各频段无线电波的传播特性………………………………………5

第3章电路设计……………………………………………………………6

3.1发射部分电路设计………………………………………………6

3.2接收部分电路设计……………………………………………8

第4章电路调整与改进…………………………………………………11

4.1信号放大电路的改进方案………………………………………11

4.2发射部分电路的改进方案………………………………………12第5章PCB印刷电路板的实现……………………………………………17第6章设计心得…………………………………………………………18

结论………………………………………………………………………19

致谢………………………………………………………………………20

参考文献………………………………………………………………21

调频无线话筒设计

第1章绪论

信息传输是人类社会生活的重要内容。

从古代的烽火到近代的旗语，都是人们寻求快速远距离通信的手段。

直到19实际电磁学的理论与实践已有坚实的基础后，人们开始寻求用电磁能量传送信息的方法。

通信（Communication）作为电信（Telecommunication）是从19世纪30年度开始的。

面向21世纪的无线通信，无线通信的系统组成、信道特性、调制与编码、接入技术、网络技术、抗衰落与抗干扰技术以及无线通信的新技术和新应用的发展更是一日千里，简易无线发射网络。

正是这些电路的基础，设计与调试发射电路能使我们快速步入电子设计的大门。

几乎每个电子爱好者都有利用无线电的雄心壮志，不论遥控一架飞机或者与外界通讯，都表达他们发射的期望讯号。

这介绍的一部发射机，十分适用初学者，造价低廉，输出功率不超过5－8mW，发射范围在房屋区可至300米左右，显示其灵敏度和清晰度俱佳，电路设计中最富挑战性的部份就是只需用3V电源和半波天线便有如此的发射能力。

另外，由于电路需要的零件十分之少，故可将之安放在一个火柴盒（比国内－般火柴盒大一些）里，作为窃听器，可谓神不知、鬼不觉，不过，并非限于这方面用途上，可将之安置在婴孩房、闸门或走廊通道，监视实际情况，此外亦可当作为夜间保安装置。

电路之电流损耗少于5mA，用两枚干电池可连续工作80至100小时之间。

电路在正常工作下非常稳定，频率漂移极小，测试：

工作8小时之后，仍不需再校接收机。

唯一影响输出频率是电池的状况，当电池老化时，频率有轻微改变。

通过此设计，学习有关FM发送，可了解其优越的地方，特别它产生无噪声的极高质讯号，即使利用低功率发送，也很容易取得良好的范围。

第2章设计方案

2.1方案选择

现有的无线耳机和无线话筒，其线路虽有差异，原理是一致的，都离不开调制和解调，但却是单独的各用一套调制和解调线路，造成了不必要的浪费，使用也不方便。

本实用新型设计涉及无线通信技术，是一种将无线话筒与无线耳机合二为一的技术。

它包括发射部分与接收部分，其中发射部分由立体声信号预加重电路与调制发射电路串联而成，接收部分由接收接收解调电路、立体声解码电路、立体声功放电路串联而成，在调制发射电路上还串联话筒及话筒信号放大电路，在立体声解码电路与立体声功放电路之间连接信号输出端，在立体声信号预加重电路及话筒信号放大电路预调制发射电路之间串联互颖开关。

本设计的目的在于设计一种无线话筒与耳机合一器，以降低制作成本，方便使用。

2.2无线话筒准用的频段

无线电波可以在空间自由传播，不受用途和地域限制，因此造成各种无线电设备的频率交叉重叠。

如果不加以规定和约束，不可避免地会产生相互干扰，影响正常的通信。

为此，世界上无线频率管理部门对无线电频率的使用范围作了统一规定，使它们之间的相互影响降到最低。

无线话筒使用的频段有：

2.2.1VHF甚高频波段

VHF频段的频率范围为30MHz～300MHz，波长为10m～1m，通常称为“米波”，广泛用于调频广播、电视频道、民用对讲机和传呼机。

频道占用极为拥挤，工业干扰源多。

分配给无线话筒VHF频段的频率范围为169MHz～230MHz，共占有61MHz的可用频带。

与电视6～12频道占用的频率范围相同。

在61MHz可用频带内，无线话筒又把它分成三个波段，VHF（A）为169MHz～185MHz；VHF（B）为185MHz～200MHz；VHF（C）为200MHz～230MHz。

2.2.2UHF超高频波段

UHF频段的频率范围为300MHz～3000MHz，波长为1m～0.1m，通常称为“分米波”，主要用于电视频道、移动电话、微波通信和军用雷达等。

分配给无线话筒的频率范围为690MHz～960MHz，占有270MHz的可用频率范围，是VHF频段的4.5倍，因此可设置更多的无线话筒通道，并且干扰源少。

在UHF频段中，无线话筒还分配到另一个更高的民用通信频段，即2300MHz～2400MHz，简称2.4G波段。

此频段的干扰源最少，但设备的生产成本高。

2.3各频段无线电波的传播特性

自由空间电磁波的传播衰减包括距离衰减（衰减量与距离的平方成正比）、传播媒体的吸收（空气、人体和墙体等）和金属结构物的反射。

频率越高，传播媒体的吸收越大，金属物体的反射越强（即阻止电磁波传播的能力越强）。

UHF频段的发射——接收之间主要靠直达波传播，难以绕过金属障碍物传播。

VHF频段除直达波传播外，还可利用一部分折射和绕射电磁波。

因此在同样的发射功率和传播条件下，VHF传播距离比UHF更远一些。

金属物体对电磁波传播的阻挡反射与无线电波长（频率）的关系

金属物体对电磁波都有反射作用。

阻挡电磁波传播的能力与电磁波的波长和金属物体的大小有关。

电磁波的波长小于金属物体的尺寸时，会被全部反射，传播受阻。

或者说，频率越高，金属物体对电磁波的反射越强。

相反，如果电磁波的波长大于金属物体的尺寸时，部分电磁波会绕过金属障碍物继续传播（电磁波的绕射特性）。

显然，UHF频段的反射比VHF频段的反射更多、更强。

电磁波对金属网格（或金属孔板）的穿透能力

电磁波的波长小于金属网格孔的直径时，则会被通过。

也就是说，波长越短，通过金属网格的穿透能力越强。

非金属物体（人体、墙壁等）对电磁波的吸收作用，电磁波的频率越高，非金属物体对它的吸收越大，电磁波的传播衰减也越大。

第3章电路设计

3.1发射部分电路设计

如图所示，立体声信号预加重电路由W1、W2、R1、R2C1-10构成，话筒信号放大电路由T1、R3-5、C11、C12构成，FM调制预FM发射电路由IC1（BA1404）、T2、R7-11、C15-25、L1-2构成，R6起限流作用，C13-14起滤波作用，LED用于显示。

三极管选用JE9018硅NPN型小功率晶体管，为B>60的高频管，耗散功率为400mw，因其在AM/FM的中频放大器和FM/UHF调频器的振荡器中作放大和振荡用。

经对其电气特性进行测试，其主要特点是：

特征频率高，能达到fT＝1100MHz（典型值），而且对电源频率变化和环境温度变化具有稳定的振荡和很小的频率偏移，工作温度范围在－55～＋150°C。

它的这些特点使其能很好的应用于调频无线设备的设计中。

高频信号很容易由于幅射而产生干扰，导致振铃、反射、串扰等；而电路对此又特别敏感，因此在PCB板设计时，必须加以重视。

为此电源设计时，应尽量减少板上的通孔（包括插件元件的引脚、过孔等）；多增加一些地线；隔离敏感元件；在信号线边上可放置电源线，以最小化信号环路面积，减少环路数量。

传输互布线应尽量满足以下规则：

避免传输线阻抗不连续（阻抗不连续点是传输先突变点，如直拐角、过孔等，它将产生信号的反射。

为此，布线时应避免走线的直拐角，可采用45°角或弧线走线，尽可能地少用孔）。

其次，要减少串扰。

图3.1发射部分电路原理图

串扰是信号间产生的耦合，分容性串扰和感性串扰两种，通常感性串扰远大于容性串扰。

串扰可通过一些简单的办法抑制：

①由于容性串扰和感性串扰的大小随负载阻抗的增大而增大，所以应对串扰引起的干扰敏感信号进行适当的端接。

②增大信号线间的距离，以减小容性串扰。

③为减小容性串扰，可在相邻信号线间插入1根地线；但须注意，此地线每1/4波长要接入线层。

④对感性串扰，应尽量减小环路面积，如允许，应消除次环路。

⑤避免信号共用回路。

最后，随着电路速度的提高，电磁干扰越发严重，还须减小电磁干扰。

图3.1发射部分电路图

减小电磁干扰的途径通常有：

屏蔽、滤波、消除电流环路和尽量降低器件速度。

滤波通常有三种选择：

去耦电容、电磁干扰滤波器、磁性元件。

最常见的是去耦电容，去耦电容用于电源线路滤波。

通常在电源接入电路板处放置一个1μF～10μF的去耦电容，以滤除低频噪声；在板上每个源器件的电源引脚处放置0.01μF～0.1μF的去耦电容，以滤除高频噪声。

对去耦电容，要注意其放置位置。

3.2接收部分电路设计

FM接收电路，FM解调电路由IC2（TDA7008T）、R12-13、C26-37、C49-50、D1、L4、K3-4构成，立体声解码电路由IC3（TDA7040T）、R14-17、W3、C42-44构成，立体声功放电路由IC4（TDA7050T）、W4、W5、C45-48、R18-19构成、C40-41起滤波作用。

当K1、K2打开在PHONE位置时，k1的A与B连，A’与B’连，E与F连，E’与F’连，K2的A与C连，A’与C’连，整个电路完成无线耳机的功能在发射端，IC1（BA1404）是双声道无线发射IC。

由音响设备输出立体声音频信号由P1输入，经双联电位器W1、W2控制其大小，经过由R1、R2、C1、C2组成的预加重网络处理后，由C7-8耦合输入IC1的1、18脚，C3-6、C9-10兼有滤除高频的作用，IC1的5、6脚所接的C21和8KHZ晶振与IC1内部共同组成振荡频率稳定的倒频信号发生器，该38KHZ振荡信号一路经IC1内部分频器产生19KHZ导频信号，另一路用于对立体音频信号进行编码，编码信号由14脚输出，与13脚输出的导频信号一起构成立体声复合信号，R9-10、C15-16起耦合作用，该复合信号送入12脚，并对高频振荡信号进行调频，调制后的射频信号经内部放大后由7脚输出，T2、R11、C25、L2组成射频功放，对调频信号进一步放大，最后由天线发射出去。

C18、L1决定了调频波的载波频率。

图3.2接收部分电路原理图

在接收端，IC2（TDA7088T）是由电调频FM接收IC，IC3（TDA7041）是立体声解码IC，IC4（TA7050T）是立体声功放IC，从天线接收导FM信号经过C26、C28-29、C50、L3、R12组成的调频网络输入IC2的11、12脚，与其内部的本振信号混频后产生73KHZ的中频信号，D1、C49、L4决定了本振频率的大小，16脚通过R13为变容二极管D1提供电压，K4为频位复位键，FM中频信号经过IC2内部的滤波器和中频放大器后，由正交解调器进行解调，6-10脚所接电容是中频滤波器的外接电容，15脚外接的K3为自动搜索键，2脚输出解调后的音频信号，经过R15、C38、C39耦合导IC3的8脚，IC3将立体声复合信号中的（L+R）和（L-R）分量转换成左、右通道音频信号，R17、W3控制IC内部的振荡器与立体声信号中的倒频载波信号同步，IC3的5、6脚输出左、右声道音频信号，经双联电位器W4、W5调节音量后，送到IC4（TDA7050T）进行放大，6、7脚输出经P3驱动立体声耳机。

当开关K1、K2打开MIC位置时，K1的B与C连，B’与C’连，F与G连，F’与G’连，K2的B与C连，B’与C’连，话筒信号放大部分得电，IC4功率放大部分失电，整个电路完成无线话筒功能，话筒信号经过T1、R3、R4、R5、C11进行一级放大后由C12耦合导IC1的1、18脚，IC1的调制、IC2的调解、IC3的解码与无耳机的情况完全相同。

IC3的5、6脚输出完全相同的两路话音信号，取其中一路通过P2输入导音响设备的话筒输入端，W4可以调节此信号大小。

当开关K1、K2打开在OFF位置时，K1的C与D连，C’与D’连，G与H连，G’与H’连，K2的C与D连，C’与D’连，发射、接收部分失电，整个电路不工作。

第4章电路调整与改进

为了使整个设计的抗干扰性能进一步加强，对发射电路的放大部分和发射部分进行了改进。

4．1信号放大电路的改进方案

信号放大电路采用二极管稳压技术，在原基础上增加了两个电阻、一个电容和两个二极管，能使电路更稳定的工作。

图4.1二极管稳压电路

话筒MIC采用的是驻极体小话筒，灵敏度非常高，可以采集微弱的声音，同时这种话筒工作时必须要有直流的偏压才能工作，电阻R3可以提供一定的直流偏压，R3的阻值越大，话筒采集声音信号通过C2耦合和R2匹配后送到三极管的基极，电路中D1和D2两个二极管反向并联，主要起一个双向限幅的功能，二极管的导通电压只有0.7V,如果信号电压超过0.7V就会被二极管导通分流，这样可以确保声音信号的幅度可以限制在正负0.7V之间，过强的声音信号会使三极管过调制，产生声音失真基甚至无法正常工作。

4．2发射部分电路的改进方案

4．2．1方案一：

电容三点式

电容三点式振荡器也称为"考毕兹"振荡器.该种振荡器由电感和两个电容构成振荡回路,由其中的一个电容提供反馈.振荡频率为:

.

电路图:

图4.2电容三点振荡电路

这种电路的优点是输出波形好、振荡频率可达１００兆赫以上。

缺点是调节频率时需同时调CC1、CC2不方便。

适宜于作固定的振荡器。

该电路较容易制作,电容三点式电路振荡频率可达到上100MHZ,所以可以用来制作成无线电发射电路,用来制作无线话筒,对讲机等.

用9018管做过无线话筒,用普通收音机可在20M左右收听到清晰的信号,也可使用8050管,发射距离可达1KM以上.

4．2．2方案二：

电感三点式

电感三点式振荡电路,又称哈特莱振荡电路。

下图中L1、L2、C组成谐振回路,L2兼作反馈网络,通过耦合电容Cb将L2上反馈电压送到三极管的基极。

图4.3电感三点式振荡电路

由交流通路看出,谐振回路有三个端点与三极管的三个电极相连,而且与发射极相接的是L1、L2,与基极相接的是L2、C即满足"射同基反"的原则。

因此电路必然满足相位平衡条件。

图4.5负反馈

图4.4谐振回路

当回路的Q值较高时,该电路的振荡频率基本上等于LC回路的谐振频率,即

式中L=L1＋L2＋2M为回路总电感。

    该电路的特点与变压器反馈式振荡电路极为相似。

须指出：

它的输出波形较差,这是由于反馈电压取自电感的两端,而电感对高次谐波的阻抗较大,不能将它短路,从而使Uf中含有较多的谐波分量,因此,输出波形中也就含有较多的高次谐波。

    用集成运放构成的电感三点式振荡电路如图Z0807所示,不难证明其振荡频率为：

4．2．3方案三：

晶振产生

（1）有两个谐振频率A.L-C-R支路串联谐振；B.当f>fs时，L-C-R支路呈感性，与Co产生并联谐振，可构成两种不同类型的频率高度稳定的正弦波振荡电路。

（2）价格相比起来较贵

影响儿C振荡电路振荡频率的因素主要是LC并联谐振回路的Q值，可以证明，Q值愈大，频率稳定度愈高。

由电路理论知道：

为了提高Q值，应尽量减小回路的损耗电阻R并加大L/C值。

但一般的LC振荡电路，其Q值只可达数百，在要求频率稳定度高的场合，往往采用石英晶体振荡电路。

图4.6晶振电路

最终我选择了电容三点式，改进后电路图如下：

图4.7发射部分改进电路

第5章PCB印刷电路板的实现

新建一个工程文件（.ddb），在Documents中点鼠标右键新建一个SchematicDocument，单击OK就建立一个原理图文件，这时我们就可以加载必要的Library来进行我们的电路设计了。

选择右边的Browse里的Libraries，再选择Add/Remove来添加或删除特定库。

这里我们需要的库是Sim.ddb与MiscellaneousDevices.ddb，加载库完成后我们就可以开始摆放元件，连接好电路。

这时有个小技巧，我们可以使用Protel自带的工具对元件进行编号处理，选择Tools里的Annotate选项，会出现一个对话框点OK就可以对元件自动进行编号，我们同时可以将各元件的大小进行设置，使我们对电路的分布一目了然。

这时我们的原理电路基本设计完成。

接下来我们需要做的是将其各分立元件进行封装，然后进行PCB印刷电路板的设计。

进行PCB设计当然也可以直接在PCB设计中进行各元件的封装，然后进行手动布线，但过程已过于繁琐。

我们这里使用原理图生成网络节点，然后在PCB中使用这些配置自动生成我们所需要的封装和布线。

加载完必要的PCB库文件后就可以使用Design中的LoadNets将节点文件载入后我们就可以进行元件的拖放工作，当然如果系统提示部分网络节点出错则须重新检查原理电路图，重新生成网络表。

PCB元件的布局与走线对产品的寿命、稳定性、电磁兼容都有很大的影响，是应该特别注意的地方。

如走线高频数字电路走线细一些、短一些好，但是太小又不利于进行焊烧，应尽量加大绝缘间距。

大面积敷铜要用网格状的，以防止波焊时板子产生气泡和因为热应力作用而弯曲，但在特殊场合下要考虑ＧＮＤ的流向，大小，不能简单的用铜箔填充了事，而是需要去走线。

元件布局还要特别注意散热问题。

对于大功率电路，应该将那些发热元件如功率管、变压器等尽量靠边分散布局放置，便于热量散发，不要集中在一个地方，也不要高电容太近以免使电解液过早老化。

有时候会因为误操作或疏忽造成所画的板子的网络关系与原理图不同，这时检查与核对是很有必要的。

所以画完以后切不可急于进行制版，应该先做核对，后再进行后续工作。

如下图是完成后的PCB板，但是由于我未认真做检查，导致了J3开关的封装错误，只能焊上插针使用跳线来连接J3两端。

设计完成后，可用3D进行整体浏览，这时可以对元件封装进行重新检查。

我们将R1偏置电阻的阻值减小使其对接收灵敏度提高，经测试，达到15.20m的声音信号仍能正常接收（温度：

20.0），而且这是在有很多电磁干扰的环境下进行的测试，测试效果良好。

天线输出距离选频回路较远，由于板子已经焊好，我们使用面包板进行测试，发现天线距离选频回路越近时，收音机的接收效果越好。

经测试还发现，将电源等有源元件与其他元件分开距离较大摆放时，接受的效果较好，频率较稳定，抗干扰能力提高近20%，频率抖动不大。

为此我们选择了将天线与电源分在两边摆放。

当然该电路仍存在很多问题，发射功率不高，抗干扰效果不甚理想。

为使输出更加稳定，我们采用一级放大电路进行振荡，一级进行调制

各分立元件大小暂为列清。

调试时按如下步骤进行：

1．检查焊接好的电路板，确保装接无误后．先测量一下正负电源之间的静态电阻有无短路或开路现象。

2．测总电流。

3．测载频。

用超高频毫伏表测量T1的b极与地之间应有几伏特的高频电压，用数字频率计观测频率。

4．调制电压测量。

如无仪器也可按上述步骤，使用收音机进行测试，边测边反复调整C5等电容与电感，直到接收距离较远，声音失真最小为止。

第6章设计心得

每一个电子设计爱好者都有电子制作的经历，从开始时的不断失败到逐渐得心应手，到最后的电子设计工程师，其中的滋味是那些圈外人所无法领会的。

其实有很多朋友很想进入电子制作的大门，但是苦于找不到入门的方法而只能在电子技术的门外徘徊”，实践后才能明白其个中滋味。

通过这次实践，通过组装、调试制作套件使我们快速步入电子设计的大门。

制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁